時間序列統計法預測中國頁巖油開采技術發展趨勢

中圖分類號：TE349 文獻標志碼：A 文章編號：1000-7393（2025）-02-0255-10

Abstract：Mostoftheresarchontentsndmethodsforshaleoilextractioareborrowedfromconventioaloilresevoisatpresent Although improvementsandadjustmentshavebenmadeaccordingtothecharacteristicsofshaleoil，theystillcanotbe fully applied，whichts teveloptfecy.oretan9literatureselatedtoaleilandigtiletracteieed， and50literatures ithstrongepresentativenessandgoodinnovationintechnicalcontentwerecaefullyselected.Aording tothe problems orpurposesinvolvedinteresearch，26literaturesarerelatedtoi-displacingmedia，15literaturesaeaboutheicr mechanism，and5literaturesareontheevaluationofdevelopmentbenefts.TheARIMA（1，0，1）modelisusedtopredictthe developmenttrendoftheresearchdirectionofshaleoilextractioninthenext5years.Atthesametime，theresearchhotspotsare optimizedthroughthefrequencystatisticsmethd.Itisfoudthatamongthe22typesofresearchcontents，fourtypes，amelywater flooding for oil displacement， CO₂ huff and puf oil recovery， evaluation of huff and puff and displacement， and the conditions for oil andgasproduction，aretheotresearchdirections.Amongthe21typesofeytechologies，sixtypes，amelywateruffadpuff experiments， software production capacity prediction， numerical simulation of oil reservoirs， CO₂ huff and puff experiments， PVT and miscibility experiments，and moleculardynamicssimulation，arethemainresearch methods.Using mathematical methodsfor scientificcalculationandreasonablepredictioncanaccuratelyandquantitativelygraspthefutureresearchhotspotsandtechnological development directions ofshale oil extraction， which helps researchers clarify theresearch focus and avoid blind exploration.

Keywords：shaleoilextraction;researchhotspots;technicalmethods;keytechologies;developmenttrend;statistialmetod

0 引言

在自然資源部最新評估中，中國頁巖油地質資源潛力為397.46億t，可采資源潛力為34.98億t。陸上中-高成熟度頁巖油地質資源量約為283億t是中國石油資源重要的戰略接續領域。中國頁巖油開發面臨甜點區落實程度低、壓裂改造難度大、工程技術裝備要求高、勘探開發成本高等挑戰。在近10年以來的頁巖油開發歷程中，眾多學者無論是自主創新，還是引進國際先進技術，發表與頁巖油開采相關的文獻資料數以千計。這些文獻涵蓋了從基礎理論研究到實際工程應用的各個方面，為行業發展提供了豐富的知識儲備。然而，大多數研究內容和所用方法均借鑒于常規油藏，雖然針對頁巖油特點也進行了相應改進或調整，但適用性依然較差。

若能對這些文獻資料展開深入調研與統計，運用數學方法進行科學計算和合理預測，就能夠精準定量地把握頁巖油開采未來的研究熱點和技術發展方向。這不僅有助于科研人員明確研究重點，避免盲目探索，還能為頁巖油開采實踐提供具體、有效的技術指導，提升開采效率，降低開采成本。

近年來，致密油作為非常規油氣的研究熱點，形成了較多優異的研究方法。調研發現，盡管致密油與頁巖油在礦物組成、巖石脆性等方面有所區別，但是其表現出的低孔低滲儲層物性特征和連續成藏模式，與頁巖油藏有諸多相似性，二者在開發技術及關鍵問題上存在共性：均依賴水平井 ⁺ 壓裂的開發手段，需要攻克“甜點識別”、“裂縫有效性評價”等技術難題。因此，在總結分析頁巖油開采技術時，可借鑒致密油開發技術，進而豐富頁巖油開發手段。作者查閱了900多篇與頁巖油和致密油開采相關的文獻，從提高采收率介質、驅替方法、微觀作用原理等角度，精選了代表性強、技術內容創新性良好的文獻，按照時間順序統計分析，全面梳理這2種非常規油藏的開采現狀，揭示當前開采過程中的存在問題與取得成果，對頁巖油開采的未來發展趨勢提供明確指向和堅實的證據支撐。

2014年，楊大慶等通過開展不同注氣壓差下的二氧化碳驅替實驗，研究二氧化碳在低滲油藏中的擴散規律[1]。2015年，Li等通過室內實驗和數值模擬循環注入甲烷測定頁巖油采收率，驗證了甲烷的提采潛力[2]。李忠興等在長慶油田長7段壓裂并衰竭開采后，采用注水吞吐提高采收率，日產油增加 78.3%[3] 。2016年，羅天雨采用E-StimPlan軟件預測油藏產能，并在此基礎上分析影響油藏產能的主要因素［4]。曹毅等通過數值模擬建立雙重介質的地質模型和二氧化碳組分模型，依據二氧化碳換油率和采收率增加量對注二氧化碳開發效果進行分析，得出二氧化碳循環吞吐優選方案［5]。Yu 等探究了吞吐實驗中不同氣體的燜井時間對裂縫性頁巖油藏的影響［6]。孟展等通過二氧化碳吞吐實驗考察了壓力、注入速度、燜井時間對吞吐性能的影響[7]。2017年，蒲萬芬等開展致密油注二氧化碳物理模擬實驗，同時利用核磁共振技術，從微觀角度研究了二氧化碳在致密孔隙中的驅替模式及特征，發現二氧化碳驅會導致原油中膠質瀝青等重質組分沉積[8]。張雪齡介紹了分子動力學模擬納米限域內單相和兩相流動中流體黏度變化、黏附和滑移的邊界條件導致的流速低于或高于泊肅葉公式預測流速的現象，并闡釋了微觀作用機理［9」。2018年，Li等對潛江頁巖油巖心進行二氧化碳吞吐實驗，發現在油藏條件下，注入 65% 的二氧化碳可大幅提高油膨脹系數、降低黏度，比非混相吞吐提高頁巖油采收率 10% [10]。梅海燕認為只有在壓裂改造，或建立正交水平井井網縮短井距的條件下注氣，才能提高頁巖油采收率［11]。李閩等研究了原油與地層水在溫度、震蕩強度、酸堿度、礦化度等不同條件下形成穩定乳狀液的條件［12]。2019年，任耀宇等通過室內物理模擬試驗，分別研究溫度對巖石和原油性能的影響、注熱水后相滲曲線的變化，明確了特低滲透熱水驅提高采收率的機理[13]。樊建明等通過毛細管數值模擬進行采油機理研究[14]。Li等應用 PR 狀態方程計算和繪制不同二氧化碳注入量下頁巖油的 p-T 相圖，并表征了二氧化碳注入開采頁巖油的過程［15］。Du等證實頁巖巖心的基質滲透率對二氧化碳吞吐提高采收率效果幾乎不產生影響[16]。2020年，屈雪峰采用巖心開展不同烴類氣體驅替實驗，探究不同天然氣組分對增油效果的影響［17]。韓飛開展接觸角、界面張力和洗油試驗，明確不同類型的表面活性劑與頁巖油巖石和原油之間相互作用的機理，判斷是否可以采用表面活性劑來提高頁巖油采收率［18］

2021年，侯連華等采用采收量經典模型預測單井最終采收量，全面厘清控制頁巖油氣EUR的關鍵地質因素[19]。 Yu 等通過滲吸實驗，發現超臨界二氧化碳對有裂縫頁巖的滲吸萃取效果好于無裂縫頁巖，且混相條件效果更好［20]。王棟等進行注水吞吐滲吸驅油實驗，認為巖心滲透率、親水程度和裂縫發育程度越高采出程度越大［21]。施雷庭等開展了水平井二氧化碳吞吐試驗，認為提采機理主要體現在增加儲層能量、膨脹原油體積、降低原油黏度、萃取輕質組分、溶蝕儲層礦物、增加流體流動能力等方面［22]。蒲萬芬等基于超臨界二氧化碳與原油相互作用實驗、抽提實驗、吞吐實驗，揭示吞吐過程中原油性質變化與增產機理，確定了不同注入參數下的采收率［23]。唐維宇運用數值模擬方法，明確了基質增能對于二氧化碳吞吐的決定性作用，并對二氧化碳吞吐的工作制度進行了優化[24]。

2022年，張沖等基于核磁共振方法，總結了不同孔隙的原油動用規律和作用機理［25]。李鳳霞等用低場核磁共振測試技術，研究了裂縫對不同滲透率儲層二氧化碳吞吐效果的影響[26]。朱舟元等通過數值模擬注氣吞吐過程，對機理進行分析，對相關參數進行優化［27]。吳俊峰等通過PVT和巖心混相吞吐實驗，明確了二氧化碳混相壓裂吞吐提高采收率作用機理[28]。馬蔚東等制訂了射孔、壓裂一體化完井、地質工程一體化解決方案［29]。黃興等利用二氧化碳吞吐實驗，發現提高注入壓力能增加向小孔隙基質中的擴散速度，裂縫會提高二氧化碳與頁巖油間的交換效率［30]。熊曉菲利用吉木薩爾頁巖巖樣進了泡沫輔助注氣吞吐試驗，分析了泡沫輔助注氣吞吐提高采收率的機理［31]。鄭國偉利用接觸角、自發滲吸 + 微米CT等實驗手段對頁巖儲層潤濕性特征及其主控因素進行研究[32]

2023年，唐可等研制了耐溫型暫堵調剖劑，并評價了成膠性能、微觀形貌、注入性能、封堵能力[33]。夏陽等建立自擴散兩相流動數學模型，初步表征了儲層壓力衰減與溶解氣驅油的耦合擴散流動過程［34]。史園園等研究了頁巖油的組分含量變化對油水界面性質的影響，建立了頁巖油組成與界面性質之間的相關性［35]。張園等提出考慮微納米限域效應的相平衡理論模型，分別計算了流體組分的無因次臨界溫度和臨界壓力的相對偏差值，計算值同實驗值符合良好［36]。馮立等采取一體化協同優化設計方法，針對性制訂了采油工程技術措施，為提高致密油單井產量、降低方案投資及提升開發效益提供了技術支撐[37]。袁士義等通過分子動力學模擬的數值方法對小孔隙中流體性質進行研究，發現孔隙尺度與流體分子尺度之比小于50時，限域效應顯著［38]。師調調等基于高溫高壓長巖心二氧化碳吞吐實驗和短巖心剩余油在線核磁共振實驗，分析不同測壓點二氧化碳混相狀態及驅替規律［39]。

2024年，杜猛等進行了基質裂縫耦合下的頁巖油動態滲流實驗，分析頁巖油動態滲吸微觀孔喉動用機制，明確了不同開發階段的生產動態特征及對采出程度的貢獻［40]。余濤等通過分子動力學模擬研究了二氧化碳提采中的界面行為與受限空間運移行為，提出了分子動力學在致密砂巖儲層二氧化碳驅油研究中的關鍵科學問題［41]。姜永等建立考慮啟動壓力梯度、滲透率及原油黏度隨地層壓力變化的致密油藏動用半徑計算模型，分析關鍵參數對油井動用半徑的影響［42]。趙文智等開展頁巖油精細餾分切割和頁巖油組成變化對宏觀流動性影響的試驗以及分子動力學數值模擬，提出頁巖油組分流動概念［43]。宋兆杰等基于PVT實驗和多周期注二氧化碳/烴類氣采油物理模擬實驗，結合相態模擬，評價多周期注氣作用下的原油采出效果［44］。李陽等發現注入二氧化碳存在嚴重氣竄現象，而注入天然氣也可提高開采效果，且無瀝青質沉積，但氣竄問題尚未得到解決［45]。王雨等在流體模型中引入納米限域效應，通過臨界壓力和臨界溫度變化來模擬納米限域效應對流體組分相行為的影響［46」。

將2014—2024年的文獻，按照研究內容、采取的技術手段進行梳理，見表1。11年期間針對頁巖油開采的研究主要集中在驅油介質和微觀作用機理，以及開發效益評價等方面。研究方法既有宏觀的驅替、吞吐實驗，又有數值模擬、分子動力學等方法。研究內容和方法既有內在聯系，又有顯著區別。比如注二氧化碳提高采收率中涉及到了提高波及效率的問題，也涉及到了二氧化碳與儲層流體的微觀作用問題，而微觀作用機理不僅僅與二氧化碳驅油有關，還與其他注采介質和工藝相關。

根據梳理的近年來在頁巖油開采領域發表的技術文獻，尋找時間與文章發表頻率的關系，并預測未來5年該領域的技術趨勢，為頁巖油開采的科研立項和技術發展提供方向依據。

表12014—2024年頁巖油開采技術文獻分類Table1Classification of literature on shale oil extraction technologies from 2O14 to 2024

1 研究方法

將2014—2024年間選取的頁巖油開采相關文獻，逐年統計每年發表數量，計算每年增長率。

式中： η 為當年文獻增長率； M 為當年文獻發表數量； N 為前一年文獻發表數量。

將每年文獻發表數量及增長率數據進行統計，得到近11年頁巖油開采的發展趨勢，如表2所示。

在2021年以前，每年在頁巖油氣開采領域的總文章數量相對較少，原因是這期間頁巖油開采處于起步階段，不管是對儲層的認識還是技術的適用性都屬于探索階段，對技術規律認識較淺。該結論從年增長率也可以體現，年增長率數據波動非常大，表明了研究人員對新領域缺乏普遍性認知。

2021年和2022年是頁巖油開采文獻發表高峰期，最高達11篇；2023年和2024年的文章數量有所減少，但仍高于2021年之前的數量；從增長率看，近期該領域研究逐漸趨緩，進入穩定發展階段。為了預測頁巖油開采技術未來的發展方向，需要捕捉更長時間的整體趨勢，而年增長率僅適合短期內的相對變化，還需要采取其他方法進行預測。

表2近11年頁巖油開采文獻發表數量統計 able 2Statistics on the number of published literatures on shale oil extraction in the past 11 years

文獻增長率和年份數據均是典型的時間序列數據。目前，用于時間序列預測的模型較多，如統計模型相關的自回歸積分滑動平均模型（ARIMA）、指數平滑法（ETS）、向量自回歸（VAR），機器學習模型相關的線性回歸、支持向量機（SVM、隨機森林及其變體（XGBoost/LightGBM），深度學習模型相關的循環神經網絡系列（RNN/LSTM/GRU）、時間卷積網絡（TCN），概率預測模型相關的DeepAR、基于Transformer的概率預測模型等。在這些方法中，XGBoost、LSTM、Transformer、TFT等方法適用于多變量/復雜關系的處理，DeepAR適用于概率預測需求，TCN適用于長序列/高效計算。線性回歸只能捕捉線性趨勢，無法處理數據中的自相關性和復雜波動。ARIMA模型基于時間序列的自相關性、趨勢性和季節性等特征構建，有嚴謹的數學理論支撐;同時，ARIMA模型主要依賴于時間序列自身的歷史數據進行建模和預測，不需要大量的外部解釋變量數據，這在很多實際應用場景中具有很大優勢。除此而外，與一些復雜的機器學習和深度學習模型相比，ARIMA模型的計算過程相對簡單，計算量較小，模型訓練和預測的速度較快，能夠快速給出預測結果。針對文獻增長率這種波動性較大、數據量較少的情況，ARIMA模型的可解釋性較好，更適合于文獻趨勢預測。基于時間序列的預測，需要變量變化相對平穩，以消除短期異常波動。從增長率趨勢圖看，數據整體平穩，不需要差分，故可以采用ARIMA（1，0，1）模型進行文獻趨勢預測。根據ARIMA（1，0，1）模型擬合文獻數量在不同考察周期內的變化方程為

Y_t=?Y_t-1+ε_t+ε_t-1θ

式中： Y_t 為時間 t 的預測值； ? 為自回歸系數； θ 為移動平均系數； ε_t 和 ε_t-1 分別為時間 t 和時間 _t-1 的白噪聲誤差項。

ARIMA（1，0，1）預測模型的計算和評估分4步。

步驟1：將數據按時間順序排列，去掉異常值，檢查數據是否平穩。

步驟2：使用時間序列數據擬合ARIMA（1，0，1）模型，計算自回歸系數 ? 和移動平均系數 θ

步驟3：通過檢查殘差的正態性和獨立性，檢驗模型準確性和可靠性。一般采用殘差標準差分析和Ljung-Box殘差檢驗。

（1）計算模型殘差均值，確保均值接近0且無顯著自相關。如果殘差顯示出非白噪聲特性，模型需要重新調整，其表達式為

式中：為殘差的均值； e_i 為第 i 個殘差； n 為殘差的數量。

（2）計算殘差標準差，檢查殘差的離散程度，如殘差標準差服從正態分布，說明模型預測值可靠。殘差標準差計算公式為

（3）采用Ljung-Box檢驗殘差序列是否存在自相關。檢驗統計量 的計算公式為

式中： m 為樣本數量； ρ_k 為第 k 階殘差的自相關系數； h 為滯后階數。

步驟4：根據預測模型公式，計算得到預測文獻增長率和預測文獻數量數據。

根據以上過程，可獲得2025—2030年之間頁巖油開采技術的發展趨勢。

2 結果與討論

2.1未來5年頁巖油開采技術發展趨勢預測

采用ARIMA（1，0，1）模型分別預測2025—2030年頁巖油開采整體發展趨勢、研究方向發展趨勢和關鍵技術發展趨勢。

2.1.1 頁巖油開采整體發展趨勢預測

采用ARIMA（1，0，1）模型預測頁巖油開采發表文獻增長率，其擬合方程表達式為

Y_t=0.619Y_t-1+ε_t+ε_t-10.912

式中： Y_t 和 Y_t-1 分別為年份 t 和年份 _t-1 的文獻增長率； ε_t 和 ε_t-1 分別為年份 t 和年份 _t-1 的文獻增長率誤差項。

對擬合方程按照步驟3進行效果評價。模型殘差均值約為0.008，接近0，符合殘差為白噪聲的假設。殘差標準差約為0.199，說明殘差在小范圍內波動。使用Ljung-Box檢驗， ρ_k 值大約為0.82，遠大于0.05，表明殘差無顯著自相關性，即模型捕捉到數據的主要趨勢，擬合效果較好。根據模型擬合結果，得到2025—2030年頁巖油開采應用文獻增長率及發表數量，即整體熱度的預測結果，再與以往歷史數據聯合繪圖，如圖1所示。

圖12014—2030年頁巖油開采應用文獻增長率及發表數量趨勢

從圖1中可以看出，未來5年針對頁巖油的研究將呈現平穩有序的增長態勢。這一趨勢既不同于2014一2020年間的大幅波動階段，也區別于2020一2024年的高速增長期。研究軌跡的演變可能反映該領域發展的階段性特征：在2014—2020年的初始探索期，由于學術界尚未形成統一的研究共識，探索方向分散且缺乏持續性，導致年度研究熱點頻次呈現劇烈震蕩；而隨著研究體系的逐步成熟和技術手段的日益豐富，學術界已在關鍵科學問題上達成共識，并積累了多元化的方法可供采用，從而推動2020年后研究成果的指數級增長。當前的平穩增長趨勢預示著頁巖油研究正從快速擴張期過渡到系統深化階段，標志著該領域研究正從探索期向發展期過渡。

2.1.2研究內容熱點方向發展趨勢預測

將頁巖油的研究內容分為提高采收率、微觀作用機理和開采效益評價共3個方向，分別作圖評價各自的發展趨勢，進而對頁巖油的研究獲得更深入的了解，如圖2所示。

在圖2中可以看出，在前10年期間，3個研究方向的熱度均有較大的波動，未來5年則保持穩定增長。其中，以提高采收率為主題的研究內容（圖2a）在未來5年的增長速度相對較為平緩，年均增長幅度約為1～2篇；而微觀作用機理研究 （圖 2b）和開采效益評價（圖2c）在未來5年則保持相對較快的速度持續增長，平均每年5～8篇。分析可能的原因是，在提高采收率方面，無論是注入天然氣、注水或者注入二氧化碳，所用方法和研究內容在很大程度上可參考常規油藏的應用過程，而且此類研究已歷經數十年的發展，目前已較難挖掘出更多創新性的突破點，這也導致了其研究熱度的增長速度相對遲緩。而對于微觀機理和開采效益方面的研究，由于頁巖油儲層為非常規油藏，其性質與常規油藏存在顯著差異，若采用常規手段開采，效果提升并不明顯，而對微觀細節的研究能提供更合理的開采方案和措施，因此，在界面性質、限域效應、原油乳化、擴散等微觀層面的研究不斷增多。

圖22014—2030年頁巖油開采研究熱點方向發展趨勢Fig. 2Development trends of the research hotspots in shale oilextractionfrom2014to2030

2.2熱點研究內容頻率分析

從研究內容看，在頁巖油領域，主要包含驅油介質、驅油方法、流體微觀性質等方面。將47篇文獻中，各研究方向出現的次數進行統計，得到主要研究方向22類，并將22類方向出現頻率計算平均數可得平均研究頻率，再將每個研究類別出現的頻率和平均研究頻率進行統計，如表3所示。

表32014—2024年頁巖油開采熱點研究內容頻率Table3The frequency ofhot research contentsin shaleoilshale oilextraction from2014 to 2024

從表3中可以看出，超過平均頻率的研究內容分別是注水驅油、二氧化碳吞吐采油、吞吐與驅替的評價以及油氣動用條件的研究。其中排在首位的是二氧化碳吞吐采油，該研究的熱度遠超過其他研究內容。這主要與頁巖油的儲層以及二氧化碳的特性有關：（1）頁巖油儲層孔隙度和滲透率很低，常規的注水、注聚合物方式難以進入地層；（2）二氧化碳除了容易進入頁巖儲層外，還能夠降低原油黏度、使原油體積膨脹和萃取等作用。注水驅油也有比較高的研究熱度，這主要在于注水方式在常規儲層生產中占據著主導地位。

吞吐與驅替是兩種不同的采油方式，在頁巖油開采進程中，需要不斷嘗試和評價，因此，該方向的研究也較多。與此同時，頁巖油儲層的致密性以及油氣吸附、儲存方式的特殊性，使得油氣流動方式也與常規儲層有所不同，因此，也有較多關于動用條件的研究。除此而外，其他的諸多研究都是基于上述研究展開，例如溶解氣驅、注氣參數、二氧化碳滲吸萃取、氣體竄流規律等。

2.3關鍵技術發展分析

關鍵技術主要以實驗研究、數值模擬為主，將研究方法出現次數進行統計，得到21種主要關鍵技術，各技術出現頻率及平均應用頻率見表4。

表42014—2024年頁巖油開采所采用的關鍵技術頻率Table 4The frequency of key technologies adopted extractionfrom 2014 to 2024

從表4中可以看出，在常用的21類關鍵技術中，有6類超過平均應用頻率，分別為注水吞吐實驗、軟件產能預測、油藏數值模擬、二氧化碳吞吐實驗、PVT和混相吞吐實驗、分子動力學模擬。在這些高頻使用方法中，油藏數值模擬和二氧化碳吞吐實驗最為常用。其中，二氧化碳吞吐實驗的高頻使用正好與研究內容中的二氧化碳吞吐采油相對應；而數值模擬作為最常用的工具，自然應用頻率較高。對應于二氧化碳吞吐采油，PVT和混相吞吐實驗也必然成為常用的輔助研究方法之一。同樣，如前述的頁巖油儲層特點，應用分子動力學進行模擬不失為一種有效的微觀研究方法。排在其后的有二氧化碳滲吸實驗、核磁共振方法、二氧化碳驅替、應用化學處理劑等技術手段。

3結論建議

（1）運用時間序列模型預測頁巖油開采技術未來5年的發展趨勢、頻率統計法優選研究熱點，發現22類研究內容中，注水驅油、二氧化碳吞吐采油、吞吐與驅替的評價以及油氣動用條件等4類為熱點研究方向；21類關鍵技術中，注水吞吐實驗、軟件產能預測、油藏數值模擬、二氧化碳吞吐實驗、PVT和混相實驗、分子動力學模擬等6類為主要的研究方法。

（2）研究基于發表文獻的統計結果，雖然精選的文獻較為全面地涵蓋了10年以來的開采技術進展，但由于篇幅限制，不可避免地遺漏部分文獻，造成結果偏差；同時，部分研究內容和技術方法的分類需要建立更加清晰的標準界限。這些不足之處還需要進一步完善。

（③）由于頁巖油儲層低孔低滲的特點，使得傳統注水、注聚合物驅采的方法適用性較差，而二氧化碳具有容易注入、提采效果好的優點，今后一段時間內，圍繞二氧化碳吞吐與驅替的研究，將會成為頁巖油有效的開發手段和研究熱點。

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（收稿日期：2025-01-25；修回日期：2025-02-21）